Importante Desligar os celulares ou colocar no modo silencioso
ENG101 MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre 1989-1994 Eng. Eletrônico - Peru 1996-1999 Mestre em Eng. Elétrica - Unicamp 1998-2003 Doutor em Eng. Elétrica - Unicamp 2003-2005 Pósdoutorado Hokkaido University 2005-2006 Pósdoutorado Unicamp
Capítulo 01 Propriedades da Matéria Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre
Classificação Funcional dos Materiais Aerospacial Biomedica Materiais Eletrônicos Energia e Meioambiente Materiais Magnéticos Fotônicos ou Materiais Ópticos Materiais Inteligentes Materiais Estruturais
Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Aerospacial Compostos de carbono, SiO2, silício amorfo, ligas de alumínio Zerodur Estruturas Aços Ligas de alumínio, Concreto Fibras de vidro Plásticos madeiras Materiais Inteligentes PZT Ligas de Ni-Ti Fluídos MR Gels polímeros Classificação Funcional dos Materiais Eletrônica Si, GaAs, Ge, PZT, Al, Cu, polymeros Ópticos SiO2, GaAs, Vidros, Al2O3, YAG, ITO Magnéticos Fe, Fe-Si, NiZn Ferritas, CoPtTaCr Energia e Ambiental Si:H amorfo, UO2, NiCd, ZrO2
Classificação dos Materiais Metais Elementos puros ou mistura de elementos metálicos (ligas) ligações metalicas Bons condutores de eletricidade Bons condutores de calor Structural feature Dimension (m) Apariência brilhante não transparentes atomic bonding < 10-10 Duros 10-10 Deformáveis crystals (ordered atoms) 10-8 -10-1 Algumas second phase vezesparticles magnéticos 10-8 -10-4 crystal texturing > 10-6
Classificação dos Materiais Cerámicos Compostos entre elementos metálicos e não metálicos - Ligações iônicas ou covalentes Duros Quebradiço Isolantes elétricos Condução térmica baixa Resistentes ao calor e corrosão Podem ser transparentes ou opácos
Classificação dos Materiais Polímeros Compostos orgânicos baseados em C, H e outros elementos não metálicos ligações covalente e secundárias Propriedades variadas Densidade baixa Não condutores Ponto de fusão baixo Podem ser muito flexíveis
Outras sub-classes de materiais Compósitos -Consistem em mais de um tipo de material Semicondutores -Tem propriedades elétricas intermediárias entre as dos condutores e isolantes Biomaterials - Materiais para implantação no interior do corpo humano
Exemplo de Aplicações Propriedades Metais e Ligas Aço Automóveis Castable, machinable, vibration damping Cerâmicos e vidros SiO 2 -Na 2 O-CaO Vidros Opticamente transparentes, isolantes térmicos Polímeros Polietileno Embalagem de comidas Finas espesuras, flexíveis
Exemplo de Aplicações Propriedades Semicondutores Silício Transistor e circuitos comportamento elétrico integrados único Compósitos Ferramentas de corte Duras e resistentes a Tungstênio carbide máquinas impactos -cobalt (WC-Co)
Estrutura Atômica Âtomos compostos de núcleo (prótons e nêutrons) circundado por elétrons. Q=1,6 x 10-19 C Mp=Mn=1,67x10-27 kg Me=9,11x10-31 kg Elementos químicos caracterizados pelo número atômico Z. Z: 1-94. Massa atômica A = soma da massa de nêutrons e prótons Peso atômico (média ponderada da massa dos isótopos) Unidades g/mol. 1 mol = 6,023 x 10 23 Âtomos ou moléculas Fe 55,85 g/mol.
Estrutura Atômica Porque estudarmos a estrutura atômica? Algumas propriedades importantes dos materiais dependem dos arranjos geométricos dos átomos e também das interações que existem entre os átomos ou moléculas constituintes. Estrutura atômica Configurações Eletrônicas dos Átomos e Tabela Periódica Tipos de ligações interatômicas Energias de Ligação Distâncias e Energias de Equilíbrio
Tabela Periódica
Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. Peso atômico 107,868 g/mol
Exemplo Calcular o número de âtomos em 100 g de prata. SOLUÇÃO Número de âtomos = (100 g )(6.023 10 23 atoms mol ) (107.868 g mol ) =5.58 10 23
Exemplo Pesquisadores estão considerando o uso de nanopartículas de materiais magnéticos como um meio de armazenar gandes quantidades de dados. Estas partículas podem armazenar dados na ordem de um trilhão de bits por polegada quadrada. 10 a 100 vezes a mais do que qualquer outro dispositivo tais como discos rígidos Se os pesquisadores estão considerando o uso de partículas de Ferro (Fe) com diâmetro de 3nm. Quantos átomos existem em cada partícula? Densidade do Ferro = 7.8 g/cm3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol.
Solução O rádio de uma partícula é 1.5 nm. Volume de cada nanopartícula magnética de Ferro = (4/3)π(1.5 10-7 cm) 3 = 1.4137 10-20 cm 3 Densidade do Ferro = 7.8 g/cm 3. Peso Atômico do Fe 55,85 g/mol. Peso de cada nanopartícula de Fe = 7.8 g/cm 3 1.4137 10-20 cm 3 = 1.102 10-19 g. Um mol de 55,85 g de Fe contem 6.023 10 23 átomos, então, o número de átomos em uma nanopartícula de Ferro será 1188.
Estrutura Atômica Modelo atômico de Bohr
Três primeiros níveis Comparação dos modelos
Energias relativas dos elétrons
Estrutura Eletrônica dos Elementos
Estrutura Eletrônica dos Elementos
Âtomo de sódio
Eletronegatividades Eletronegatividade pequena Eletronegatividade grande
Eletronegatividades
Forças e Energias de Ligação E = Fdr E L = E A + E R E L =energia liquida E A =energia de atração E R =energia de repulsão
Ligações Iônicas: Metal + não metal configurações estáveis doa aceita elétrons acontece entre + and - íons. precisa de transferência de elétrons diferência entre as eletronegatividades deve ser grande Exemplo: NaCl Neônio Argônio Atração de Coulomb Ligação iônica no cloreto de sódio NaCl
Ligações Iônicas: A E L = E A + E R = + r B n r 1 ( Z e)( Z e) A = 1 2 4πε 0 z1, z 2 Valências dos dois tipos de íons.
Exemplo Calcule a força de atração entre um ion Ca +2 e O -2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.
Exemplo = ( Z e)( Z e) 1 A 1 2 4πε 0 Calcule a força de atração entre um ion Ca +2 e O -2 cujos centros encontram-se sepadaros uma distância de 1,25 nm.
Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes São fortes. Eletronegatividade similar Example: CH 4 C: tem 4 e - de valência e precisa de mais 4 H: tem 1 e -,de valência e precisa de mais 1 Electronegatividades são similares
Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente molécula de metano CH 4
Ligação Covalente Compartilhamento dos elétrons entre átomos adjacentes Ligação covalente no silício
Exemplo Asumindo que a sílica (SiO 2 ) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO 2 )
Exemplo Asumindo que a sílica (SiO 2 ) tem 100% de ligações covalentes descreva como o sílicio e o oxigênio formam a sílica (SiO 2 ) Solução Sílicio tem 4 elétrons de valência e compartilha elétrons com 4 átomos de oxigênio, resultando em 8 elétrons para cada átomo de silício. Porém, o oxigênio tem valência 6 e ompartilha elétrons com 2 átomos de silício resultando em 8 elétrons para cada átomo de oxigênio. Na figura a seguir é ilustrada uma estrutura possível
% caráter iônico = 1 e (X A X B ) 4 2 x (100%) % caráter covalente = e ( X A X 4 B ) 2 x (100%) Ex: MgO X Mg = 1.3 X O = 3.5 (3.5 4 % carater ionico = 1 e 1.3) 2 x (100%) = 70.2% ionico
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO 2 ) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações.
Em um exemplo anterior foi considerado que a sílica (SiO 2 ) tem ligação covalente. Porém ela tem ligações iônica e covalente. Determine a porcentagem dessas ligações. Solução Da tabela periódica obtem-se que a eletronegatividade do silício é 1,8 e a do oxigênio é 3,5. % covalent = exp[-0.25(3.5-1.8) 2 ] x 100% = exp(-0.72) x 100% = 48,6% % iônica = (1- exp[-0.25(3.5-1.8) 2 ]) x 100 % = (1 - exp(-0.72)) x 100%= 51,4 %
Ligações Metálicas Metais e suas ligas Elétrons de valência não estão ligados aos átomos Formam um mar de elétrons
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm 3 de prata. Densidade da prata é 10.49 g/cm3 O peso atômico da prata é 107.868 g/mol
Calcular o número de elétrons capazes de conduzir cargas elétricas em 10 cm 3 de prata. Solução A valência da prata Ag é 1, e apenas os elétrons de valência conduzem cargas elétricas. Densidade da prata é 10.49 g/cm 3 O peso atômico da prata é 107.868 g/mol. Peso de 10 cm 3 = (10 cm 3 )(10.49 g/cm 3 ) = 104.9 g 23 àtomos = (104.9 g )(6.023 10 atoms / mol ) = 5.85 10 107.868 g / mol elétrons = (5.85 10 23 atoms)(1 elétron valência/atom) = 5.85 10 23 elétrons de valência em 10 cm 3 23
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas.
Ligações secundárias Entre dipolos atômicos ou moleculares Ligações fracas. Molécula de água
Propriedades Elétricas
Condução em sólidos condutores, mercúrio e metais em fusão
Condução nos líquidos
Condução nos gases
Condução nos gases